WO2022102518A1

WO2022102518A1 - ダイポールアンテナ、偏波共用アンテナ、および、アレーアンテナ

Info

Publication number: WO2022102518A1
Application number: PCT/JP2021/040665
Authority: WO
Inventors: 啓介佐藤; 英二天川
Original assignee: 電気興業株式会社
Priority date: 2020-11-10
Filing date: 2021-11-04
Publication date: 2022-05-19
Also published as: KR20230129377A; US20230420847A1; CN116529957A; JP2022076582A

Abstract

【課題】２８ＧＨｚ帯以上、またそれに準ずる高周波数帯における、多層基板やその他の立体回路の構成に適する、ダイポールアンテナ、偏波共用アンテナ、および、アレーアンテナを提供する。【解決手段】ダイポールアンテナ、偏波共用アンテナ、および、アレーアンテナは、誘電体層上に設けられたアンテナ部を有し、誘電体層に形成され、前記アンテナ部と接続される疑似同軸線路を備え、疑似同軸線路は、外導体、および、信号線を有する。

Description

ダイポールアンテナ、偏波共用アンテナ、および、アレーアンテナ

　本発明は、移動通信基地局用アンテナに好適なダイポールアンテナ、偏波共用アンテナ、および、アレーアンテナに関するものであり、特に、５Ｇにて割り当てられた、２８ＧＨｚ帯以上の周波数において、従来実現困難だった、ダイポールアンテナ、偏波共用ダイポールアンテナ、および、アレーアンテナに関する。

　移動無線通信では、容量拡大のためＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ　Ｉｎｐｕｔ　Ｍｕｌｔｉ　Ｏｕｔｐｕｔ）への適用が必須となっている。ＭＩＭＯ実現に直交偏波共用を用いた、偏波ＭＩＭＯがある。
　その対応のため、携帯電話基地局アンテナは、偏波共用アンテナを用いている。
　偏波共用アンテナは１つのアンテナで、直交する２つの偏波を放射することが可能であり、基地局アンテナの小形化に寄与する。

　従来割り当てられている、ＳＵＢ６帯、つまり６ＧＨｚ以下の周波数帯では、例えば特許文献２に記載のようなダイポールアンテナや、特許文献１に記載のようなパッチアンテナでの偏波共用アンテナが知られている。
　一方で、５Ｇにおいて割り当てられた２８ＧＨｚ帯や、それ以上のミリ波帯では、ダイポールアンテナは困難であるため、パッチアンテナなどが検討されている。

特開２００３－４６３２６号公報特開２０１４－３９１９２号公報特許第６３４１２９３号特許第５６３８８２７号

　ダイポールアンテナは、動作のために、バラン回路を含む必要がある。
　従来のバラン回路は、例えば誘電体基板を用いた形が実施されており、基板が自立することが前提とした構成となっている。
　つまり、ＳＵＢ６帯では、各偏波アンテナ用バランを別体の基板にて構成、自立可能な構造とできる。
　しかし、２８ＧＨｚ帯では、波長が非常に短く、アンテナ構造が小形で微細になるため、基板単体での自立が不可能であり、ＳＵＢ６と同様の自立構造の確保が困難である。

　また、特許文献２に記載のようなダイポールアンテナは、多層基板で実現が困難である。多層基板などの立体回路では、垂直方向（バラン回路を構成する方向）は、スルーホールによって導体を構成するが、スルーホールでは、従来構成例のような、平面板（ストリップライン構造）での構成ができない。
　通常多層基板等を用いて立体化するため、設計のしやすさから、パッチアンテナは実現可能である。特許文献１に記載のような、パッチアンテナであれば、多層基板などの立体回路を用いて、偏波共用は可能だが、ダイポールアンテナと比較して、交差偏波特性やアイソレーション特性が良くない。
　特許文献３および特許文献４に記載のようなパッチアンテナと協働する形でパッチアンテナと併用されるダイポールアンテナでも、ダイポールアンテナと比較して、交差偏波特性やアイソレーション特性が良くない。また、特許文献３に記載のアンテナでは高周波素子からの不要放射は考慮しているものの、特許文献３および特許文献４はいずれも信号線の影響を考慮しておらず、疑似同軸線路のような発想はない。
　そのため、多層基板での構成を前提とすると、バラン回路含めた、新たな偏波共用ダイポールアンテナの構造を検討しなければならない。

　そこで、本発明は、２８ＧＨｚ帯以上、またそれに準ずる高周波数帯における、多層基板やその他立体回路（LTCCなど）の構成に適する、ダイポールアンテナ、偏波共用アンテナ、および、アレーアンテナを実現することを目的とする。
　また、本発明は、多層基板やそれに準ずる立体回路構成にて、ダイポールアンテナ、偏波共用アンテナ、および、アレーアンテナを実現することを目的とする。
　また、本発明は、５Ｇで割り当てられた２８GHz帯以上の周波数で、パッチアンテナと比較して広帯域かつ、良好なアイソレーション・交差偏波特性を得ることにより、ＭＩＭＯ性能やビームフォーミング性能にとってより好適となるダイポールアンテナ、偏波共用アンテナ、および、アレーアンテナを提供することを目的とする。

　本発明の請求項１に係るダイポールアンテナは、
　誘電体層上に設けられたアンテナ部を有し、
　前記誘電体層に形成され、前記アンテナ部と接続される疑似同軸線路を備え、
　前記疑似同軸線路は、外導体、および、信号線を有することを特徴とする、ダイポールアンテナである。

　本発明の請求項２に係るダイポールアンテナは、
　前記外導体および前記信号線がスルーホールにより構成されることを特徴とする、請求項１に記載のダイポールアンテナである。

　本発明の請求項３に係るダイポールアンテナは、
　前記信号線が３本以上の前記外導体に囲まれて配置されていることを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載のダイポールアンテナである。

　本発明の請求項４に係るダイポールアンテナは、
　前記信号線は、
　　前記アンテナ部の有する２つのアンテナ素子の間のギャップを通って配置されており、前記アンテナ部を励振するものであり、
　　一方の前記アンテナ素子に対して所定距離だけ離間して対向し、他方の前記アンテナ素子に接続されており、かつ、他方の前記アンテナ素子は前記疑似同軸回路により接地されていることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載のダイポールアンテナである。

　本発明の請求項５に係るダイポールアンテナは、
　前記信号線は、
　　前記アンテナ部の有する２つのアンテナ素子の間のギャップを通って配置されており、前記アンテナ部を励振するものであり、
　　前記アンテナ部の有する２つの前記アンテナ素子に対して所定距離だけ離間して対向し、高周波電流または高周波電流が供給される側と反対側の終端は開放されていることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載のダイポールアンテナである。

　本発明の請求項６に係るダイポールアンテナは、
　前記誘電体層は、第一誘電体層と第二誘電体層を有し、
　前記アンテナ部は前記第二誘電体層上に設けられており、
　前記信号線の少なくとも一部は前記第一誘電体層上に設けられ、ギャップ線路を形成することを特徴とする、請求項１ないし５のいずれかに記載のダイポールアンテナである。

　本発明の請求項７に係るダイポールアンテナは、
　前記誘電体層のうち、前記アンテナ部が設けられている側と反対側に、伝送線路を有する伝送層を有することを特徴とする、請求項１ないし６のいずれかに記載のダイポールアンテナである。

　本発明の請求項８に係る偏波共用アンテナは、
　請求項１ないし７のいずれかに記載のダイポールアンテナを２つ備え、２つの前記ダイポールアンテナは互いに直交することを特徴とする、偏波共用アンテナである。

　本発明の請求項９に係る偏波共用アンテナは、
　２つの前記ダイポールアンテナは異なる前記誘電体層上に形成されていることを特徴とする、請求項８に記載の偏波共用アンテナである。

　本発明の請求項１０に係るアレーアンテナは、
　分配回路または合成回路を有し、請求項１ないし７のいずれかに記載のダイポールアンテナを複数有する、または、請求項８または９に記載の偏波共用アンテナを複数有することを特徴とする、アレーアンテナである。

　本発明は、以上の構成により、ダイポールアンテナに起因する、広帯域な電気特性が得られる。
　また、従来のパッチアンテナと比較して、良好な交差偏波識別度特性、アイソレーション特性が得られるため、偏波ＭＩＭＯやビームフォーミングに対して、より好適である。

本発明の一実施例におけるダイポールアンテナの構成例を示す。本発明の一実施例における疑似同軸線路の構成例を示す。本発明の一実施例におけるダイポールアンテナの構成例を示す。本発明の一実施例における疑似同軸線路の構成例を示す。本発明の一実施例における疑似同軸線路の構成例を示す。本発明の一実施例におけるダイポールアンテナの構成例を示す。本発明の一実施例におけるダイポールアンテナの構成例を示す。本発明の一実施例におけるダイポールアンテナの構成例を示す。本発明の一実施例におけるダイポールアンテナの構成例を示す。本発明の一実施例におけるダイポールアンテナの構成例を示す。本発明の一実施例におけるダイポールアンテナの構成例を示す。本発明の一実施例におけるダイポールアンテナの構成例を示す。本発明の一実施例におけるダイポールアンテナの構成例を示す。本発明の一実施例におけるダイポールアンテナの構成例を示す。本発明の一実施例における偏波共用アンテナの構成例を示す。本発明の一実施例における偏波共用アンテナの構成例を示す。本発明の一実施例における偏波共用アンテナの構成例を示す。本発明の一実施例におけるアレーアンテナの構成例を示す。本発明の一実施例におけるアレーアンテナの構成例を示す。

　図１は、本発明の一実施例における係るダイポールアンテナ１００の構成例を示す。
　ダイポールアンテナ１００は、誘電体層３００上に設けられたアンテナ部１１０を有する。
　疑似同軸線路２００が誘電体層３００に形成され、アンテナ部１１０と接続される。なお、疑似同軸線路がアンテナ部と接続される、および「アンテナ部と接続される疑似同軸線路」とは、外導体２１０が接続されることを意味し、後述のように信号線２２０は必ずしもアンテナ部１１０に電気的に接続されるとは限らない。また、疑似同軸線路がアンテナ部と接続される、および、「アンテナ部と接続される疑似同軸線路」とは、外導体と信号線を有する疑似同軸線路が同一のアンテナ素子に接続されることを意味する。
　本実施例では、後述のショートバラン構成となっている。

　図２は、本発明の一実施例における疑似同軸回路の構成例を示す。
　疑似同軸線路２００は、外導体２１０、および、信号線２２０を有する。
　本実施例において、外導体２１０および信号線２２０はスルーホールにより構成される。
　本構成により、外導体２１０および信号線２２０の形成が容易となる。

　一実施例において、ダイポールアンテナ１００で送信または受信される電波の周波数が２８ＧＨｚ以上である。２４．７～３０．２ＧＨｚで実施してもよく、２４．７ＧＨｚ以上とすることもできる。
　本構成により、５Ｇ規格にも対応できる。

　図３は本発明の一実施例におけるダイポールアンテナ１００の構成例を示す。また、図４は本発明の一実施例における疑似同軸線路２００の構成例を示す。
　本実施例において、アンテナ部１１０には３本以上の疑似同軸線路２００が接続される。
　そして、信号線２２０は３本以上の外導体２１０に囲まれて配置されている。「外導体２１０に囲まれて配置されている」とは、断面において、周囲の３本以上の外導体２１０を結ぶ面内に、信号線２２０のうち垂直方向に延びる部分の半分以上が配置されていることを意味する。したがって、図４に示される構成以外に、図５に示される疑似同軸線路２００の構成例などでもよい。
　本構成により、信号線２２０からの影響および信号線２２０への影響の双方が外導体２１０により抑制でき、外部からの影響、外部への影響、交差偏波識別度やアイソレーション特性が改善される。つまり、疑似同軸線路２００の構造を採用することにより、アンテナの特性などが改善できる。

　図３および図４に示されるように、ダイポールアンテナ１００は中心に垂直方向に対称軸を備え、外導体２１０および信号線２２０も対称軸に対称に配置することができる。この場合、より一層、前述の特性などが改善される。図５に示される構成でも同様である。

　図６は本発明における一実施例におけるダイポールアンテナ１００の構成例を示す。本実施例では４本の外導体２１０が１本の信号線２２０を囲んでいる。
　信号線２２０を囲む外導体２１０は、５本以上であってもよい。
　１のダイポール素子に接続される信号線２２０は複数であってもよい。本構成であれば、ダイポールアンテナ１００の制御において精度を向上できる。
　また、１の外導体２１０が構成上複数の疑似同軸線路２００に属する構成でもよい。この構成であれば、少ない数の外導体２１０により、効率よく信号線２２０同士の影響などを抑制することができる。

　図７は本発明の一実施例におけるダイポールアンテナ１００の回路の構成例を模式的に示す。
　信号線２２０には高周波電圧または高周波電流が供給される。

　信号線２２０は、アンテナ部１１０の有する２つのアンテナ素子１１１の間のギャップGを通って配置されており、アンテナ部１１０を励振するものである。
　信号線２２０は、アンテナ部１１０の有する２つのアンテナ素子１１１のうち、一方のアンテナ素子１１１に対して、アンテナ素子１１１の下側から所定距離だけ離間して対向し、ギャップ間を通って、他方のアンテナ素子１１１に接続されており、かつ、他方のアンテナ素子１１１は疑似同軸回路により接地されている、ショートバラン構成である。信号線２２０のアンテナ部１１０への接続は、アンテナ素子１１１の端部が望ましい。

　ここで、「接地されている」とは、直接接地されていることだけでなく、接地用の端子や導線などに接続されているや、接地用の端子や導線などに接続するための端子等に接続されていることを含む。
　本実施例において、２４．７～３０．２GHzでー１０ｄB以下のリターンロスが得られる。

　図８は本発明の一実施例におけるダイポールアンテナ１００の回路の構成例を模式的に示す。
　信号線２２０には高周波電圧または高周波電流が供給される。

　信号線２２０は、アンテナ部１１０の有する２つのアンテナ素子１１１の間のギャップGを通って配置されており、アンテナ部１１０を励振するものである。
　信号線２２０は、アンテナ部１１０の有する２つのアンテナ素子１１１に対してアンテナ素子１１１の下側から所定距離だけ離間して対向し、高周波電流または高周波電流が供給される側と反対側の終端は他の回路に電気的に接続されずに開放されている、オープンバラン構成である。

　図９および図１０はダイポールアンテナ１００の構成例を模式的に示す。
　図９はショートバラン構成を、図１０はオープンバラン構成を示す。

　誘電体層３００は、第一誘電体層３０１と第二誘電体層３０２を有する。
　第二誘電体層３０２上にアンテナ部１１０が設けられている。
　また、信号線２２０の少なくとも一部は第一誘電体層３０１上に設けられ、ギャップ線路２２１を形成する。ギャップ線路２２１は、アンテナ部１１０に対して信号線２２０が所定距離離間して配置されることにより、アンテナ部１１０に必要な電位を供給する。

　図１１、図１２はダイポールアンテナ１００の構成例を模式的に示す。
　図１１はショートバラン構成を、図１２はオープンバラン構成を示す。
　本実施例では、誘電体層３００のうち、アンテナ部１１０が設けられている側と反対側に、伝送線路２３０を有する伝送層３１０を有する。伝送層３１０においてアンテナに必要な回路を構成することができる。
　図１３に示されるように第二誘電体層を有するショートバラン構成や、図１４に示されるように第二誘電体層を有するオープンバラン構成としてもよい。

　図１５は本発明の一実施例における偏波共用アンテナ１０１の構成例を模式的に示す。
　偏波共用アンテナ１０１は、これまで述べたダイポールアンテナ１００を２つ備え、２つのダイポールアンテナ１００は互いに直交する。
　疑似同軸線路２００を３本以上設ける本構成では、交差偏波識別度や２つのアンテナ部１１０同士のアイソレーション特性が特に改善され、２４．７～３０．２ＧＨｚでー１０ｄＢのリターンロスと共に、２５ｄＢ程度のアイソレーション特性が得られる。

　図１６、図１７は本発明の一実施例における偏波共用アンテナ１０１の構成例を模式的に示す。
　図１６はショートバラン構成を、図１７はオープンバラン構成を示す。

　第一誘電体層３０１の上に第二誘電体層３０２が形成され、第二誘電体層３０２の上に第三誘電体層３０３が形成されている。
　２つのダイポールアンテナ１００は異なる誘電体層３００上に形成されている。つまり、１つのダイポールアンテナ１００は第二誘電体層３０２上に形成され、このダイポールアンテナ１００と直交するもう１つのダイポールアンテナ１００は第三誘電体層３０３上に形成されている。

　スペースが許す場合には、第二誘電体層３０２や第三誘電体層３０３に複数のダイポールアンテナ１００を形成することもできる。
　本構成により、設置面積や特性などに応じて、２以上のダイポールアンテナ１００を容易に設計し形成することができる。

　図１８は本発明の一実施例におけるアレーアンテナ１０２の構成例を示す。
　図１９に示されるように、アレーアンテナ１０２は分配回路３２１または合成回路３２２を有する。また、先述の偏波共用アンテナ１０１を複数有する。

　本実施例においては、分配合成部３２０が分配回路３２１および合成回路３２２を有しており、分配回路３２１および合成回路３２２は複数の偏波共用アンテナ１０１に接続されている。
　アレーアンテナ１０２はこれまで述べたダイポールアンテナ１００を複数有する構成とすることもできる。

　以上のような構成により、ダイポールアンテナに起因する、広帯域な電気特性が得られるとともに、従来のパッチアンテナと比較して、良好な交差偏波識別度特性、アイソレーション特性が得られるため、偏波ＭＩＭＯやビームフォーミングにおいて大変有利である。
　特に、多層基板などを用いることができるため、給電回路の引き回しも容易に実現できる。
　さらに、パッチアンテナと比較して、交差偏波が少なくＭＩＭＯの効果が高まるのみでなく、ビーム幅を広げる、狭める、サイドローブを下げるなどの柔軟な素子指向性の変更ができ、設計の自由度が高い。

　本発明は以上の実施例に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で様々な実施例を含むことは言うまでもない。

１００　ダイポールアンテナ
１０１　偏波共用アンテナ
１０２　アレーアンテナ

１１０　アンテナ部
１１１　アンテナ素子

２００　疑似同軸線路
２１０　外導体
２２０　信号線
２２１　ギャップ線路
２３０　伝送線路

３００　誘電体層
３０１　第一誘電体層
３０２　第二誘電体層
３０３　第三誘電体層
３１０　伝送層
３２０　分配合成部
３２１　分配回路
３２２　合成回路

G　ギャップ

Claims

　誘電体層上に設けられたアンテナ部を有し、
　前記誘電体層に形成され、前記アンテナ部と接続される疑似同軸線路を備え、
　前記疑似同軸線路は、外導体、および、信号線を有することを特徴とする、ダイポールアンテナ。
　前記外導体および前記信号線がスルーホールにより構成されることを特徴とする、請求項１に記載のダイポールアンテナ。
　前記信号線が３本以上の前記外導体に囲まれて配置されていることを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載のダイポールアンテナ。
　前記信号線は、
　　前記アンテナ部の有する２つのアンテナ素子の間のギャップを通って配置されており、前記アンテナ部を励振するものであり、
　　一方の前記アンテナ素子に対して所定距離だけ離間して対向し、他方の前記アンテナ素子に接続されており、かつ、他方の前記アンテナ素子は前記疑似同軸回路により接地されていることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載のダイポールアンテナ。
　前記信号線は、
　　前記アンテナ部の有する２つのアンテナ素子の間のギャップを通って配置されており、前記アンテナ部を励振するものであり、
　　前記アンテナ部の有する２つの前記アンテナ素子に対して所定距離だけ離間して対向し、高周波電流または高周波電流が供給される側と反対側の終端は開放されていることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載のダイポールアンテナ。
　前記誘電体層は、第一誘電体層と第二誘電体層を有し、
　前記アンテナ部は前記第二誘電体層上に設けられており、
　前記信号線の少なくとも一部は前記第一誘電体層上に設けられ、ギャップ線路を形成することを特徴とする、請求項１ないし５のいずれかに記載のダイポールアンテナ。
　前記誘電体層のうち、前記アンテナ部が設けられている側と反対側に、伝送線路を有する伝送層を有することを特徴とする、請求項１ないし６のいずれかに記載のダイポールアンテナ。
　請求項１ないし７のいずれかに記載のダイポールアンテナを２つ備え、２つの前記ダイポールアンテナは互いに直交することを特徴とする、偏波共用アンテナ。
　２つの前記ダイポールアンテナは異なる前記誘電体層上に形成されていることを特徴とする、請求項８に記載の偏波共用アンテナ。
　分配回路または合成回路を有し、請求項１ないし７のいずれかに記載のダイポールアンテナを複数有する、または、請求項８または９に記載の偏波共用アンテナを複数有することを特徴とする、アレーアンテナ。